Дослідження методів аналізу нестаціонарних процесів

в системах технічної діагностики

Шалаєв Б.В.

Донецкий национальный технический университет

г. Красноармейск, Украина

Актуальність. Технічна діагностика - галузь науково-технічних знань, сутність якої складають теорія,методи та засоби виявлення та пошуку дефектів об’єктів технічної природи. Під дефектом слід розуміти будь-яку невідповідність властивостей об’єкта заданим, очікуваним його властивостям. Виявлення дефекта полягає у визначенні з деякою точністю його місцезнаходження в об’єкті.

Основне призначення технічної діагностики полягає в підвищенні надійності об’єктів на етапі їх експлуатації, а також в попередженні появи виробничих дефектів на етапі виготовлення об’єктів та їх складових частин. Підвищення надійності полягає в скороченні часу відновлення роботоздатного стану, збільшенні строку служби та напрацювання на відмову, за рахунок перевірки всіх деталей на предмет відповідності всім вимогам. Окрім того діагностика дає змогу підвищити вірогідність правильного функціонування об’єктів під час експлуатації. Правильна її організація під час вхідного контролю комплектуючих виробів та матеріалів, дає змогу попередити виробничий брак.

Опис задачі. На сьогоднішній день дуже актуальна задача розробки засобів аналізу нестаціонарних сигналів в сфері діагностики машин вертально-поступальної дії, поршневих компресорів, двигунів внутрішнього згоряння, що пов’язана з неможливістю виконати аналіз звичайними методами. Існує безліч факторів, що спотворюють сигнал та ускладнюють інтерпретацію даних.

Саме тому основною проблемою розробки засобів технічної діагностики полягає в виборі методу аналізу та обробки сигналів. Для найбільш простих задач достатньо віконного перетворення Фур’є. Однак для більшості нестаціонарних процесів використовують вейвлет аналіз, а у разі нелінійності сигналу - перетворення Гілберта-Хуанга (ННТ-Hilbert-Huang transform). Його якісна відмінність полягає в тому, що базис аналізу є адаптивним, що дає змогу аналізувати нелінійні процеси.

Методика рішення задачі. Під «аналізом» сигналів розуміють не тільки їх чисто математичне перетворення, але й отримання на їх основі висновків про специфічні особливості відповідних процесів та об’єктів. Загалом метою аналізу є:

- Визначення або оцінка числових параметрів сигналів

(енергія, середня потужність, середнє квадратичне значення та ін.).

- Визначення особливостей зміни параметрів сигналів у часі.

- Розкладання сигналів на елементарні складові для для порівняння властивостей різних сигналів.

- Порівняння міри "схожості", "спорідненості" різних сигналів, в тому числі з відповідними кількісними оцінками (взаємокореляційна функція, коефіцієнт кореляції та ін.).

-Визначення впливу неоднорідності структури об’єкта на зміну параметрів сигналів.

Залежно від технічних засобів і діагностичних параметрів, які використовують при проведенні діагностування, можна навести наступний перелік:

– вібраційні методи діагностування;

– акустичні методи діагностування;

– теплові методи;

– електромагнітні методи

– специфічні методи для кожної з галузей техніки (наприклад, за вмістом заліза в машинній оливі можна судити про ступінь зносу деталей механізму, за тиском оливи в автомобільному двигуні можна оцінити ступінь зносу вкладишів колінчастого вала і т.д.)

Вібраційна діагностика — це метод діагностування технічних систем і устаткування, що базується на аналізі параметрів вібрації, що створюється працюючим обладнанням або є вторинною вібрацією, яка зумовлена структурою досліджуваного об'єкта.

Акустична емісія (АЕ) — фізичне явище, що пов'язане з випроміненням пружних хвиль досліджуваним об'єктом при його нелінійних трансформаціях (деформаціях). Кількісно АЕ - критерій цілісності матеріалу, що визначається звуковим випромінюванням матеріалу при його навантаженні. Ефект акустичної емісії може використовуватися для визначення місцезнаходження дефектів на початковій стадії руйнування об’єкту.

        Магнітний неруйнівний контроль, що базується на аналізі взаємодії магнітного поля з об'єктом контролю. Як правило, його застосовують для контролю об'єктів з феромагнітних матеріалів.

Тепловий метод неруйнівного контролю (ТНК)- це такий метод НК при якому використовується теплова енергія, яка поширюється в об'єкті контролю. Температурне поле поверхні об'єкта контролю є джерелом інформації про особливості процесу теплопередачі, які, в свою чергу, залежать від наявності внутрішніх чи зовнішніх дефектів. Тепловим полем називається сукупність значень температур в усіх точках об'єкта в даний момент часу.

Найбільш типовим сигналом для вібродіагностики та акустичної емісії є полігармонічний сигнал з локальним часом виникнення, що затухає по експоненті. Цей сигнал відповідає відгуку системи на удар. Задачами систем діагностики при цьому є :

– виявлення часу виникнення сигналу

– оцінка часу згасання сигналу

– оцінка частотного складу сигналу

Рис. 1.1 — Приклад акустичної емісії

Вибір оптимальних методів аналізу включає формулювання вимог до аналітичних методів діагностики та вибір з поміж існуючих методів тих, що вдовольняють даним критеріям. Та чітку аргументацію даного вибору

На сьогоднішній день існує декілька найбільш поширених методів аналізу сигналів. Спектральний аналіз - один з найбільше повно розроблених і популярних методів обробки сигналів, що дозволяє охарактеризувати частотний склад аналізованого сигналу .

Рис. 1.2 — Спектрограма, що пояснює відношення роздільної здатності

Вейвлет перетворення (wavelet transformation) – це сучасний і перспективний метод обробки даних. Методи вейвлет аналізу можливо застосувати до даних різної природи. Це можуть бути, наприклад, одномірні функції або двовимірні зображення. Грубу класифікацію вейвлет-алгоритмів можна зробити, виділивши безперервне (CWT – Contіnuous Wavelet Transform) і дискретне (DWT – Dіscrete Wavelet Transform) вейвлет-перетворення. На відміну від звичайних спектральних перетворень, вейвлет-аналіз дозволяє з однаковою точністю апроксимувати як гладкі функції, так і функції з різкими випадами, що дає можливість визначати незначні об’єкти. В якості базисних функцій, що утворюють ортогональний базис, можна використовувати широкий набір вейвлетів.

Вейвлет аналіз дозволяє локалізувати частотні компоненти сигналів з високою точністю в тому випадку, якщо правильно підібрано материнський вейвлет. Для більш детального аналізу обирають більш високий рівень декомпозиції.

Рисунок 1.3– Вейвлети перших чотирьох порядків

Основна частина перетворення Гільберта-Хуанга це алгоритм EMD що представляє собою ітераційну обчислювальну процедуру розкладання початкових даних. Використовуючи алгоритм емпіричної модової декомпозиції будь який складний сигнал можна розбити на кінцеву і часто невелику кількість компонент - внутрішніх модових функцій(IMF- internal mode function). IMF як правило являє собою простий коливальний сигнал, як аналог простих гармонічних функцій.

Після розкладання сигналу на компоненти застосовують перетворення Гілберта. Це метод для отримання з кожної IMF значення миттєвої частоти як функції часу для складових сигналу.Таким чином отримується вичерпна інформація про сигнал.

Перетворення Гілберта-Хуанга може бути використаний у всіх методах технічної діагностики. Бо його базис є адаптивним, також є можливість аналізувати не лише сигнал, але й його частотні компоненти - внутрішні модові функції, що гарантує максимальну інформативність спектрального аналізу.

Перелік літератури

1. Блаттер, Христіан. Вейвлет-аналіз. Основи теорії : навчальний посібник для вузів: пер. с нім. / К. Блаттер ; пер. Т. Э. Кренкель, ред. пер. А. Г. Кюркчан. – М. : Техносфера, 2006. – 271¹ с. : ил. –

2. Малла, Стефан Вейвлети в обробці сигналів : навлчльний посібник для вузів: пер. з другого англ. вид. / С. Малла ; пер. : Я. М. Жилейкин. – М. : Мир, 2005. – 671, [1] с. : ил

3. Чуі, Чарльз К..  Введення в вейвлети : навчальний посібник : Пер. с англ. / Ч. К. Чуи ; пер. : Я. М. Жилейкин. – М. : Мир, 2001. – 416 с. : ил. 

4. .Технічні засоби діагностування:Довідник. / В.В. Клюєва,П.П.Пархоменко,В.Е.Абрамчук та ін.;під загальною редакцією В.В. Клюєва.-М.:Машиностроение,1989.-672 с.,іл;— Бібліогр.: с. 7—15 та в підрядк. прим.

5. Акустична емісія: (Wikipedia) [Електронний ресурс]/ Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В. В. Клюева. Т.7: В 2 кн. Кн. 1: В. И. Иванов, И. Э. Власов. Метод акустической эмиссии. — М.: Машиностроение, 2005. — 829 с.: ил..

Режим доступу: http://uk.wikipedia.org/wiki/Акустична_емісія